En ny teknik för att läsa DNA -koden bygger på en grundläggande egenskap hos materia som kallas kvanttunnel, som verkar på subatomär skala. Den aktuella artikeln visar att enstaka baser inuti en DNA-kedja verkligen kan avläsas med tunnling, utan störningar från närliggande baser, pekar på vägen till låga kostnader, snabb DNA-sekvensering.

Vridningen, en stegliknande form av DNA-molekylen – livets arkitektoniska planlösning – innehåller ett universum av information som är avgörande för människors hälsa. Enorma ansträngningar har lagts ned på att dechiffrera den genetiska koden, Inklusive, mest känt, Human Genome Project. Ändå, Processen att läsa några "bokstäver" på tre miljarder nukleotider för att avslöja en individs fullständiga genom förblir ett kostsamt och komplext företag.

Nu är biofysikern Stuart Lindsay, från Biodesign Institute vid Arizona State University, har visat en teknik som kan leda till snabb, låg kostnad läsning av hela genom, genom igenkänning av de grundläggande kemiska enheterna – nukleotidbaserna som utgör DNA-dubbelhelixen. En prisvärd teknik för DNA-sekvensering skulle vara ett enormt framsteg för medicin, möjliggör rutinmässig klinisk genomisk screening för diagnostiska ändamål; designen av en ny generation av specialanpassade läkemedel; och även genomisk tinkering för att förbättra cellresistens mot virus- eller bakterieinfektion.

Lindsay är en ASU Regents' Professor och Carson Presidential Chair of Physics and Kemi samt chef för Biodesign Institute's Center for Single Molecule Biophysics. Hans grupps forskning visas i det aktuella numret av tidskriften Naturens nanoteknik .

Lindsays teknik för att läsa DNA -koden bygger på en grundläggande egenskap hos materia som kallas kvanttunnel, som verkar på subatomär skala. Enligt kvantteorin, elementära partiklar som elektroner kan göra mycket konstiga och kontraintuitiva saker, i trots av klassiska fysiklagar. Sådan sub-atom, kvantenheter har både en partikel- och en vågliknande natur. En del av konsekvensen av detta är att en elektron har en viss sannolikhet att flytta från ena sidan av en barriär till den andra, oavsett höjd eller bredd på en sådan barriär.

Anmärkningsvärt, en elektron kan åstadkomma denna bedrift, även när barriärens potentiella energi överstiger partikelns kinetiska energi. Sådant beteende är känt som kvanttunnel, och flödet av elektroner är en tunnelström. Tunneldrivning är begränsad till små avstånd - så små att en tunnelövergång bör kunna läsa en DNA-bas (det finns fyra av dem i den genetiska koden, A, T, C och G) åt gången utan störningar från flankerande baser. Men samma känslighet för avstånd betyder att vibrationer i DNA, eller mellanliggande vattenmolekyler, förstöra tunnelsignalen. Så Lindsay-gruppen har utvecklat "igenkänningsmolekyler" som "griper tag" om varje bas i tur och ordning, koppla basen mot elektroderna som avläser signalen. De kallar denna nya metod för "igenkänningstunnelering".

Den aktuella artikeln i Nature Nanotechnology visar att enstaka baser inuti en DNA-kedja verkligen kan avläsas med tunnling, utan störningar från angränsande baser. Varje bas genererar en distinkt elektronisk signal, strömspikar av en viss storlek och frekvens som tjänar till att identifiera varje bas. Förvånande, tekniken erkänner till och med en liten kemisk förändring som naturen ibland använder för att finjustera uttrycket av gener, den så kallade "epigenetiska" koden. Medan en individs genetiska kod är densamma i varje cell, den epigenetiska koden är vävnads- och cellspecifik och till skillnad från genomet självt, epigenomet kan svara på miljöförändringar under en individs liv.

För att läsa längre längder av DNA, Lindsays grupp arbetar med att koppla tunnelläsning till en nanopor - ett litet hål genom vilket DNA dras, en bas i taget, av ett elektriskt fält. Uppsatsen i Nature Nanotechnology har också något att säga om detta problem. "Man har alltid trott att problemet med att passera DNA genom en nanopor är att det flyger igenom så snabbt att det inte finns tid att läsa sekvensen", säger Lindsay. Förvånande, tunnelsignalerna som rapporteras i Nanture nanoteknik papper håller länge – nästan en sekund per basläsning.

För att testa detta resultat, Lindsay samarbetade med en kollega, Robert Ros, för att mäta hur hårt man måste dra för att bryta komplexet av en DNA -bas plus igenkänningsmolekylerna. De gjorde detta med ett atomkraftmikroskop. "Dessa mätningar bekräftade komplexets långa livslängd, och visade också att avläsningstiden kan påskyndas efter behag genom applicering av en liten extra dragkraft "säger Ros." Således är scenen inställd för att kombinera tunnelläsningar med en enhet som passerar DNA genom en nanopor "säger Lindsay.

Sekvensering genom igenkänningstunnling, om det visat sig vara framgångsrikt för hela genomläsning, skulle kunna innebära en betydande kostnadsbesparing och förhoppningsvis i tid också. Befintliga metoder för DNA-sekvensering förlitar sig vanligtvis på att skära hela molekylen i tusentals komponentbitar, klippa isär stegen av komplementära baser och läsa dessa fragment. Senare, bitarna måste noggrant återmonteras, med hjälp av massiv datorkraft. "Direkt avläsning av den epigenetiska koden har nyckeln till att förstå varför celler i olika vävnader är olika, trots att de har samma genom", tillägger Lindsay, en hänvisning till den nya förmågan att läsa epigenetiska modifieringar med tunneling.

Lindsay betonar att mycket arbete återstår att göra innan tillämpningen av sekvensering genom igenkänning kan bli en klinisk verklighet. "Just nu, vi kan bara läsa två eller tre baser när tunnelsonden driver över dem, och vissa baser identifieras mer exakt än andra, säger han. Men gruppen förväntar sig att detta kommer att förbättras när framtida generationer av igenkänningsmolekyler syntetiseras.

"Den grundläggande fysiken är nu demonstrerad", säger Lindsay, och tillägger "kanske kommer det snart att vara möjligt att införliva dessa principer i massproducerade datorchips." Dagen för "genomet på en bärbar dator" kanske kommer snabbare än man tidigare trott var möjligt.